基于GF-2的祿豐恐龍谷南緣山地環(huán)狀構(gòu)造線性特征遙感解析應(yīng)用研究

胡琳，甘淑，2，袁希平，楊明龍,2，高莎，畢瑞

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650093； 2.云南省高校高原山區(qū)空間信息測繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，昆明 650093；3.滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，大理 671000)

1 引言

環(huán)狀構(gòu)造是一種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，是遙感影像上較醒目的結(jié)構(gòu)特征之一[1]。環(huán)狀構(gòu)造不但成因多樣，各個地質(zhì)時代均可以產(chǎn)生，而且規(guī)模大小懸殊，排列方式多變。在遙感地質(zhì)學(xué)中，環(huán)狀構(gòu)造具有極重要的理論意義[1]。在預(yù)測、尋找礦產(chǎn)和活動構(gòu)造分析方面，它能提供豐富的深部地質(zhì)作用信息。因此，對于環(huán)狀構(gòu)造的成因、性質(zhì)和意義的深入研究是很有必要的。由于遙感技術(shù)具有宏觀性和直觀性等特點(diǎn)，為地質(zhì)構(gòu)造研究提供了豐富的定量化數(shù)據(jù)[2]，使得其在地質(zhì)構(gòu)造研究中的應(yīng)用越來越廣泛。Hewson R[3]和Fan Y[4]以遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對礦產(chǎn)資源的識別、礦物制圖等。Abd El-Hamid[5]和Wainwright H M[6]利用遙感技術(shù)對地表覆被類型的空間異質(zhì)性和地質(zhì)地貌情況進(jìn)行研究。并且有越來越多的人通過運(yùn)用多源遙感數(shù)據(jù)來進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害研究，如董秀軍[7]、Wang J[8]、Hejja Y[9]和葛大慶[10]綜合運(yùn)用光學(xué)遙感、激光雷達(dá)、無人機(jī)傾斜攝影、數(shù)字高程模型(DEM)等多源遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害的解析與研究。

隨著遙感技術(shù)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，民眾對遙感數(shù)據(jù)的需求也在逐漸增大，為此我國啟動了高分辨率對地觀測系統(tǒng)國家科技重大專項(xiàng)(以下簡稱高分專項(xiàng))。高分專項(xiàng)建成了我國自主的陸地、大氣、海洋先進(jìn)對地觀測系統(tǒng)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、資源環(huán)境、公共安全等重大領(lǐng)域提供服務(wù)和決策支撐，也承擔(dān)了帶動國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展、國防建設(shè)和全國范圍的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的戰(zhàn)略責(zé)任[11]。為促進(jìn)國產(chǎn)高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用拓展，實(shí)現(xiàn)科研成果轉(zhuǎn)化。因此，本文將以GF-2遙感影像為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用遙感技術(shù)，對研究區(qū)內(nèi)山地環(huán)狀構(gòu)造線性特征進(jìn)行遙感解析，為促進(jìn)遙感地質(zhì)在山地環(huán)狀構(gòu)造方面的研究提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)及研究數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國云南祿豐侏羅紀(jì)恐龍遺址公園(世界恐龍谷)南緣的典型山地環(huán)狀構(gòu)造，位置如圖1所示。該環(huán)狀構(gòu)造正好處在云南省正中部，即“云南地理的中心位置”(24°53′5″～24°59′2″N，102°06′3″～102°01′1″E)。研究區(qū)隸屬于云南省楚雄彝族自治州祿豐縣川街鄉(xiāng)，處于滇中高原東南部的金沙江水系與紅河水系的分水嶺地帶，總體地勢北高南低。氣候?qū)儆趤啛釒У途暥雀咴撅L(fēng)氣候，具“冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，溫暖多雨，干濕分明”的低緯度山地季風(fēng)氣候特點(diǎn)，地處低熱河谷區(qū)。全年日照時數(shù)2 018.7 h，多年平均氣溫16.1℃，多年平均降雨量915.5 mm[12]。研究區(qū)內(nèi)主要地層有新生界的第四系、第三系，中生界的白堊系、侏羅系，元古界的昆陽群。公園周邊地區(qū)出現(xiàn)三疊系、泥盆系、奧陶系、寒武系及震旦系地層[12]。巖漿巖主要灰綠巖，也有基性侵入巖及超基性侵入巖。

圖1 研究區(qū)

2.2 研究數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本文以高分二號(GF-2)遙感影像作為數(shù)據(jù)源，選用2019年12月10日所拍攝的影像進(jìn)行試驗(yàn)。GF-2衛(wèi)星是我國首顆自主研制的空間分辨優(yōu)于1 m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，搭載有兩臺高分辨率1 m全色、4 m多光譜相機(jī)，具有亞米級空間分辨率、高定位精度和快速姿態(tài)機(jī)動能力等特點(diǎn)，星下點(diǎn)空間分辨率可達(dá)0.8 m[13-14]。GF-2影像產(chǎn)品具體參數(shù)見表1，預(yù)處理流程見圖2。

表1 GF-2影像產(chǎn)品參數(shù)

圖2 GF-2圖像預(yù)處理流程圖

3 山地線性特征遙感解析

基于預(yù)處理后的GF-2遙感影像，通過目視解譯的方式勾繪出山脊線，發(fā)現(xiàn)山脊線形似一顆巨大的心臟，山地中心處的巖石平行分布，如圖3所示。借助Arcmap軟件解算出山脊線的特征參數(shù)如表2所示，讀表2可知：山脊線的東西寬度為4.19 km，南北長度為4.92 km，直徑為4.27 km，面積為14.34 km2，周長為15.06 km。

同理，通過目視解譯的方式勾繪出山谷線，發(fā)現(xiàn)山谷線與山脊線輪廓形似，如圖3所示。借助Arcmap軟件解算出山谷線的特征參數(shù)如表2所示，讀表2可知：山谷線的東西寬度為6.40 km，南北長度為8.06 km，直徑為6.45 km，面積為32.71 km2，周長為26.37 km。

表2 山脊線和山谷線的特征參數(shù)

圖3 山脊線和山谷線

對比山脊線和山谷線的特征參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，山谷線的面積和周長約為山脊線的兩倍，且山脊線和山谷線的重心鄰近。讀圖2發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的山脊線和山谷線呈環(huán)狀分布，并且通過影像解譯也可以發(fā)現(xiàn)，山脊線內(nèi)山地呈坑狀，山谷線內(nèi)山地似鍋底逐漸向邊緣隆起的峭壁。

4 山地環(huán)狀構(gòu)造特性遙感解析

4.1 山地環(huán)狀構(gòu)造重心遙感解析

通過以上解析，得到山脊線的重心和直徑、山谷線的重心和直徑。因此，本節(jié)將以山脊線的重心為圓心，山脊線的直徑為直徑，繪制標(biāo)準(zhǔn)圓。同理，以山谷線的重心為圓心，山谷線的直徑為直徑，繪制標(biāo)準(zhǔn)圓，如圖4所示。讀圖4可知：山脊線相較于標(biāo)準(zhǔn)圓向西南方向偏移了，山谷線相較于標(biāo)準(zhǔn)圓也向西南方向偏移了。推測應(yīng)該是受外力影響，使得山脊線和山谷線均較標(biāo)準(zhǔn)圓向西南方向偏移。并且由于山脊線和山谷線較標(biāo)準(zhǔn)圓的偏移方向一致，偏移度相似，推測應(yīng)是受到統(tǒng)一外力作用導(dǎo)致的偏移，而具體的偏移原因應(yīng)進(jìn)行深入研究。

圖4 以山脊線和山谷線重心為圓心繪制的標(biāo)準(zhǔn)圓

4.2 山脊線內(nèi)的山地河谷水系線性特征遙感解析

對比已有的地質(zhì)、地球物理資料不難發(fā)現(xiàn)，主要徑流的方向與該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的主要展布方向、重力、電法異常的主要軸向大體吻合[15]。說明主要徑流的展布嚴(yán)格受區(qū)域構(gòu)造控制。因此本文基于預(yù)處理后的GF-2遙感影像，通過目視解譯的方式勾繪出山脊線內(nèi)的主要河谷水系，以此作為依據(jù)，來推斷該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的主要展布方向。如圖5(a)所示，山脊線內(nèi)的山地河谷水系為1個封閉水文單元，并且僅有1個出水口。在山脊線內(nèi)，主要河谷水系整體趨勢為由東北方向流向西南方向，全長17.69 km，共分為2個部分。北部水系分布較為緊密，總共有3個水系節(jié)點(diǎn)，1號和2號水系節(jié)點(diǎn)距離較近，3號水系節(jié)點(diǎn)位置更偏東北向。3個水系節(jié)點(diǎn)均位于河谷內(nèi)的低凹處，最終匯水至中山水庫。南部水系較為簡單，僅有1個水系節(jié)點(diǎn)。水系在4號水系節(jié)點(diǎn)交匯后，往西南方向流淌，直至流向山脊線外。5號水系節(jié)點(diǎn)為此封閉水文單元的唯一出水口。

同理，勾繪出山脊線內(nèi)的支流水系，如圖5b所示。讀圖5(b)可知，山脊線內(nèi)水系整體呈放射狀，通過測算得到支流水系全長31.51 km。分布于主要河谷水系兩側(cè)，除西南方向分布較少外，其余均勻分布于山脊線內(nèi)。

計(jì)算出山脊線內(nèi)水系的重心與山脊線的重心，2個重心點(diǎn)位置相鄰(如圖5b所示)，可知在封閉水文單元中，水系重心的位置與山脊線的幾何重心位置幾乎一致。

圖5 山脊線內(nèi)的河谷水系

4.3 山脊線外的山地河谷水系線性特征遙感解析

通過目視解譯的方式勾繪出山脊線外的主要河谷水系，得到圖6。讀圖6可知：在山脊線與山谷線之間，主要河谷水系全長為16.96 km，多分布在研究區(qū)南部。山脊線內(nèi)的河谷水系從唯一的出水口流出后，匯入川街河。在1號水系節(jié)點(diǎn)分為2個支流，與沿西側(cè)山谷線流淌的支流在2號水系節(jié)點(diǎn)交匯，與沿東側(cè)山谷線流淌的支流在3號水系節(jié)點(diǎn)交匯。川街河共有3條支流，均為由南向北的流淌方向，形似“川”字。研究區(qū)北部有較短的1條徑流，流經(jīng)路線與山谷線幾乎重合。

圖6 山脊線外的主要河谷水系

為了進(jìn)一步了解該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況，本文對山谷線外的主要河谷水系進(jìn)行遙感解析，得到圖6。讀圖6可知：該地區(qū)因地勢屬于東北高，西南低，因此水系整體走勢為從東北方向流向西南方向。從東北方向的東河水庫向西南方向流淌，順山谷線與川街河交匯，而后在小江口匯入綠汁江。

5 結(jié)論

本文通過以上解析研究得到如下結(jié)論：

(1) 通過繪制研究區(qū)內(nèi)山地的山脊線和山谷線，并解算其特征參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：山谷線的面積、周長約為山脊線的兩倍。山脊線和山谷線的重心鄰近，山脊線和山谷線呈環(huán)狀分布。

(2) 根據(jù)測算得到山脊線的重心和直徑繪制標(biāo)準(zhǔn)圓、山谷線的重心和直徑繪制標(biāo)準(zhǔn)圓發(fā)現(xiàn)：山脊線和山谷線較標(biāo)準(zhǔn)圓均向西南方向偏移了，推測應(yīng)該是受外力影響造成的偏移。并且由于山脊線和山谷線較標(biāo)準(zhǔn)圓的偏移方向一致，偏移度相似，推測應(yīng)是受到同一外力作用導(dǎo)致的偏移，而具體的偏移原因有待深入研究。

(3) 通過勾繪山脊線內(nèi)的河谷水系發(fā)現(xiàn)：主要河谷水系整體趨勢為由東北方向流向西南方向，全長17.69 km，總共有4個水系節(jié)點(diǎn)。山脊線內(nèi)水系整體呈放射狀，且為封閉水文單元，支流水系全長31.51 km。其水系重心與山脊線的幾何重心位置幾乎一致。

(4) 通過勾繪山脊線外的河谷水系發(fā)現(xiàn)：在山脊線與山谷線之間，主要河谷水系全長為16.96 km，多分布在研究區(qū)南部。山谷線外，主要河谷水系整體走勢為從東北方向流向西南方向。從東北方向的東河水庫向西南方向流淌，順山谷線與川街河交匯，而后在小江口匯入綠汁江。

本文基于GF-2遙感影像對祿豐恐龍谷南緣的山地環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性特征遙感解析，對該地區(qū)的山地環(huán)狀結(jié)構(gòu)的基本情況有了一定的了解，但仍有不足之處。本文僅對研究區(qū)內(nèi)的地表水系進(jìn)行了遙感解析研究，但對于研究區(qū)內(nèi)的其他地表景觀探測分析仍然有待深化，比如針對此特殊區(qū)域內(nèi)的地表覆被調(diào)查、土壤侵蝕狀態(tài)、土壤侵蝕過程等進(jìn)行探測分析。并且本文的研究主要是對研究區(qū)二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對于三維結(jié)構(gòu)的分析認(rèn)識不足。未來有待加強(qiáng)綜合多源地理空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究，比如基于DEM數(shù)據(jù)對研究區(qū)的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。